霍尔电流检测在某直流控制系统中的应用

马 丽

(山西国营大众机械厂，山西 太原 030024)

2017-07-14

马丽(1981- )，女，山西古交人，助理工程师，从事的工作及研究方向：电子电路硬件设计。

1674- 4578(2017)05- 0009- 03

霍尔电流检测在某直流控制系统中的应用

马 丽

(山西国营大众机械厂，山西 太原 030024)

在直流电机的控制系统中，电流检测是不可缺少的环节。本文提出了一种基于闭环霍尔电流传感器的某直流控制系统中的电流检测方案，分析了电流检测的基本原理、电流信号的处理及电流的过流保护功能。

闭环；霍尔电流传感器；电流检测

当今时代，直流电机在工农业生产及人们的日常生活中起着十分重要的作用。在直流电机的控制系统中，电流检测是非常重要的环节。精确的电流采样，一方面可以用于电机转速的调节与控制，从而实现系统的某些功能；另一方面，当直流电机由于负载原因出现短路、过流等故障时，特定的电流检测电路能够使电机的驱动模块等得到保护。本文选用闭环霍尔电流传感器完成电流检测功能，它具有出色的精度，良好的线性度，低温漂，较快的反应时间等优异特性，适用于直流电机电流的检测。

1 基于闭环霍尔电流传感器的电流检测技术

1.1 霍尔效应

当在长方形半导体薄片的长度方向通以直流电流I时，若在其厚度方向存在一磁场B，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH(称为霍尔电势或霍尔电压)，此即霍尔效应。

图1 霍尔效应原理图

如图1，N型半导体薄片中通以控制电流I，半导体中的载流子(电子)将沿着和电流相反的方向运动。若垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B，则由于洛伦兹力fL的作用，电子将向一边偏转，形成电子累积；而另一边则积累正电荷，于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的力fE与洛伦兹力fL相等时，电子的累积达到动态平衡。此时建立的电场为霍尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势UH，其大小可用下式表示：

(1)

式中：RH—霍尔常数，m3·C-1；

I—控制电流，A；

B—磁感应强度，T；

d—霍尔元件的厚度，m。

由式(1)可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。

1.2 霍尔电流传感器的工作原理

霍尔电流传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔电流传感器有两种工作方式，即开环(直测式)和闭环(磁平衡式)。

开环霍尔电流传感器是在强磁性材料的铁芯气隙中安装了霍尔器件。当原边电流IP流过一根长导线时，导线周围产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中的霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压Vs精确反映原边电流IP。但由于铁芯的非线性，这种形式的传感器具有精度低、响应速度慢、温漂大、线性度差的缺点。

为了克服开环霍尔电流传感器的不足，需采用闭环霍尔电流传感器。如图2所示，闭环霍尔电流传感器中增加了一个二次补偿线圈，原边电流IP所产生的磁场，通过副边线圈(二次补偿线圈)的电流Is所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的状态，于是霍尔器件的非线性误差和精度有了很大的提高。这一过程是一个动态过程，可表述为：

NPIP=NsIs·

(2)

其中，NP为原边线圈的匝数，一般为1，IP为原边电流，Ns为副边线圈的匝数，Is为副边补偿电流。

从式(2)可以看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流Is的大小，即可推算出原边电流Ip的值，从而实现原边电流的隔离测量。

图2 闭环霍尔电流传感器的工作原理

闭环霍尔电流传感器的输出信号Is一般很小，只有10 mA～400 mA。如果输出电流经过取样电阻(测量电阻)Rm，则可得到一个大小为几伏的电压输出信号。

2 闭环霍尔电流传感器选型

在本设计中，直流电机峰值电流为18 A，稳定后电流为6 A，因此选用南京中霍的HCS-LTS-06A型霍尔电流传感器，其主要性能参数见表1。

根据表1参数，由磁势平衡原理可计算HCS-LTS-06 A霍尔电流传感器输入电流与输出电压值的对应关系。当输入额定电流6 A时，额定输出电压U=6/960*1*100+2.5=3.125。同理，可计算输入不同电流0、12、18、19.2时的输出电压值，详见表2。

表1 HCS-LTS-06A型霍尔电流传感器的主要性能参数

表2 HCS-LTS-06A型霍尔电流传感器输入电流与输出电压的关系

3 电流信号的处理

本设计考虑HCS-LTS-06 A型霍尔电流传感器的输出电压Um需输入单片机，因此需首先对霍尔传感器输出电压信号进行偏移放大处理，以适应不同供电要求单片机(本设计选用5 V供电单片机)的A/D输入接口要求，使单片机根据不同A/D转换数据进行解算处理，并采取相应控制措施。本设计电路如图3所示，图中放大电路选用高精度运算放大器LT1078，霍尔电流传感器输出电压信号Um经C1、C2滤波，第一级N1：A差分放大，第二级N1：B反相比例运算，最后经R11、C3、V1滤波、限幅，输出端电压Vad。经放大处理后的电压信号Vad可与单片机相匹配，其计算公式如下：

(3)

设计应用中，R6/R3=R5/R4，通过调节电位器R2和R10的有效阻值，保证电流信号在0 A～19.2 A范围内变化时，单片机接收的信号在0 V～5 V电压范围。

本设计选用宏晶科技的单片机STC15F2K56S2-28I作为不同采样电流信号的核心控制处理单元。通过霍尔电流传感器精确的电流实时采样，偏移放大电路的信号处理，单片机采集最后转换电压Vad，一方面可以使单片机控制电机转速的过程形成闭环，即电机起动后，电机运行电流反馈给单片机，当单片机设定电流与反馈电流动态平衡时，电机转速趋于稳定，因此可实现电机转速的调节与控制；另一方面，当系统出现负载短路、过流等故障时，单片机将按不同的电流采样值采取限流或截流措施，以避免电机的驱动模块等遭受损坏，从而完成对整个系统的保护。

图3 霍尔电流传感器输出电压信号的处理电路理

4 结束语

在直流电机的控制系统中，精确的电流采样是整个系统正常运行的必要条件，因此本文提出了一种基于闭环霍尔电流传感器的直流电机电流检测方案，分析说明了电流检测的基本原理、电流信号的处理及其在实际控制系统中的应用。经系统测试试验，该方案的采用能够对直流控制系统的电机转速进行较为精确的控制，能够对系统起到一定保护作用，因此，该方案合理可行，便捷实用，操作简单，运行可靠。

[1] 高振天，郭立新.电机控制系统中的电流检测技术.机电工程技术，2012，41(8)：148-150.

[2] 孙建民，杨清梅.传感器技术.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005:259-260.

ApplicationofHallCurrentDetectioninaDCControlSystem

Ma Li

(State-ownedDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024,China)

The current detecting is an indispensable part in DC motor control system. This paper presents a scheme of current detection in a certain DC control system based on the closed-loop Hall current sensor. The basic principle of the current detection, the current signal processing and the function of the over-current protection are analyzed respectively. Tests and experiments show this scheme has good feasibility.

closed-loop; Hall current sensor; current detection

TP273.5

A